Опробован перспективный способ выработки водорода водорослями

Водород — один из наиболее востребованных «зеленых» видов топлива в ближайшем будущем. Его собираются использовать для наземного и воздушного транспорта. Но несмотря на почти идеальную «экологичность» водородных топливных ячеек (на выходе ток, водяной пар и совсем чуть-чуть оксидов азота), большинство современных способов получения этого газа весьма энергоемки. Это делает водород гораздо менее «зеленым», чем хотелось бы. Альтернатива — вырабатывать его с помощью бактерий или водорослей, в чем ученые из Китая и Великобритании недавно преуспели.

Описание исследования с многообещающими результатами было опубликовано в рецензируемом журнале Nature Communications. Ученые из Бристольского университета (University of Bristol, Англия) и Харбинского технологического института (Harbin Institute of Technology, Китай) для выработки водорода взяли на вооружение один из механизмов фотосинтеза одноклеточных зеленых водорослей.

В своих экспериментах они использовали чрезвычайно распространенных хлорелл и одно любопытное свойство их метаболизма. При недостатке кислорода в окружающей среде один из ферментов внутри водорослей начинает действовать активнее — гидрогеназа. Упрощенно говоря, этот белок захватывает высвободившиеся во время фотосинтеза электроны и присоединяет их к гидрону, положительному иону водорода (единичному протону).

Чтобы повысить эффективность всего процесса водоросли помещались на субстрат из декстрана (полисахарид глюкозы) в растворе полиэтиленгликоля (PEG). В результате хлореллы образовывали шаровые скоплений, которые затем путем осмотического сжатия существенно уменьшали в размерах до капелек диаметром в одну десятую миллиметра. Дабы уловить как можно больше вырабатываемого во время фотосинтеза кислорода и он не мешал активации гидрогеназы поверх этих сфер наносилась тонкая пленка аэробных бактерий. В итоге получившиеся микрореакторы показали способность стабильно вырабатывать водород на протяжении 96-часового эксперимента.

Главное достижение исследователей, по мнению авторов работы, заключается в создании эффективного метода упаковки водорослей. Помимо того, что он позволяет увеличить количество активных клеток в единице объема, удается еще и повысить выработку водорода. «Лишний» кислород захватывается бактериями и меньше подавляет активность ферментов в хлореллах.

Вся энергия, которую используют люди и прочие обитатели Земли, — так или иначе переработанное излучение cолнца. Нефть, уголь и газ представляют из себя различные формы связанного при помощи света древними растениями и водорослями углерода. Любая пищевая цепочка также начинается с растений: прямо или опосредованно все живое существует благодаря энергии нашей звезды. Чем дальше развивается человечество, тем эффективнее ему необходимо ее перерабатывать в приемлемые для использования формы.

И если с пищей прогресс идет пусть и почти всю историю вида Homo sapiens, то в вопросе использования энергии для прочих нужд люди очень быстро достигли практического максимума. В самом деле, охота, земледелие и агрономия продвинулись довольно далеко — от собирательства и загона диких животных до огромных полей засеянных результатами многовековой селекции и ферм со специально выведенными породами скота. Однако этот процесс протекал почти без резких скачков на протяжении последних 10 тысяч лет обозримой истории. А до появления парового двигателя способы передвижения, передачи информации и производства продукции практически не менялись тысячелетиями. Зато всего за 250 лет с усовершенствования паровой машины Джеймсом Уаттом человечество уже осваивает космос и связывается по видео с другим небесным телом. Однако существующие способы получения энергии достигли своего предела и в XXI веке одной из ключевых задач науки стали поиски новых путей.

Атомная энергетика и высокоэффективные газовые электростанции способны обеспечить инфраструктуру и промышленность. Солнечные электростанции, которые на первый взгляд оптимальны для прямой переработки света в ток, полезны только для локальной выработки энергии далеко не во всех регионах Земли. Остается транспорт, для которого оптимальным является жидкое или сжиженное газообразное топливо.

Витрина водородных технологий - Toyota Mirai нового поколения

Витрина водородных технологий - Toyota Mirai нового поколения

И здесь на помощь человечеству приходит водород — но для его получения снова нужно очень много энергии. Эксперименты по обузданию биологических механизмов выработки этого газа идут давно и достижения англо-китайской команды ученых тут не первые успешные. Ранее в 2020 году исследователи из Кильского университета в Германии (Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) показали схожие оптимистичные результаты. Согласно публикации на портале Fuelcellworks, они также использовали фермент гидрогеназу, только не в клетках водорослей, а в цианобактериях.